- 可穿戴、可打印、可塑形的傳感器可檢測環境中的病原體和毒素
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2023/2/7
生物聚合物傳感器中的分子開關由一種蛋白質組成，其作用類似于鎖和鑰匙。當目標分子或病原體（藍色）與開關結合時，它會發現“鎖”，允許分子鍵（紅色）與鎖結合并形成完整的熒光素酶（綠色）。在螢火蟲和螢火蟲中發現的熒光素酶可以發出綠光，表明目標的存在和數量。來源：阿爾弗雷多·基哈諾，華盛頓大學
塔夫茨大學工程學院的研究人員開發了一種使用生物聚合物傳感器檢測環境中的細菌、毒素和危險化學物質的方法，該傳感器可以像墨水一樣打印在各種材料上，包括手套、口罩或日常服裝等可穿戴物品。
生物聚合物傳感器基于計算設計的蛋白質和從蠶蛾Bombyx Mori的繭中提取的絲素蛋白，可以嵌入薄膜，海綿，過濾器或像塑料一樣模制，以采樣和檢測空氣傳播和水傳播的危險，或信號感染甚至我們體內的癌癥。
研究人員演示了傳感器在檢測導致 COVID 的 SARS-CoV-2 病毒、抗乙型肝炎病毒抗體、食源性毒素肉毒桿菌神經毒素 B 或人表皮生長因子受體 2 （HER2）（乳腺癌存在的指標）時如何在幾分鐘內發光。
目前，一旦暴露，傳感器需要用無毒化學品快速噴灑。如果目標存在，則傳感器產生光。發射光的強度提供了目標濃度的定量度量。
“實驗室設計的蛋白質和絲綢的組合是一個傳感器平臺，可以適應以高度特異性和靈敏度檢測各種化學和生物制劑，”塔夫茨大學工程學院Frank C. Doble工程教授Fiorenzo Omenetto說，塔夫茨絲綢實驗室主任開發了生物響應材料。“例如，SARS-CoV-2和抗乙型肝炎抗體可以在接近臨床測定的水平上進行測量�！�
傳感元件是模塊化的，因此開發人員可以交換新設計的蛋白質來捕獲特定的病原體或分子進行測量，而發光機制保持不變。Omenetto說：“使用傳感器，我們可以拾取微量的空氣傳播的SARS-CoV-2，或者我們可以想象對其進行修改以適應下一個公共衛生威脅。
他指出，雖然它處于概念階段，但檢測乳腺癌的應用特別有趣。他的團隊創造了一種概念驗證的硅膠胸罩墊，當佩戴時可以吸收分泌的液體，報告HER2激素的水平，并提供是否存在乳腺癌的指示�！半m然需要進一步開發來改進和臨床驗證檢測，但在日常服裝中進行這種診斷的機會肯定是引人注目的，”Omenetto說。
無人機機身嵌入了能夠檢測空氣中SARS-CoV-2的生物聚合物傳感器。在飛行過程中，螺旋槳引導氣流通過無人機的多孔體，如果存在病毒，它會發光。無人機可以在遠程距離內監控環境。來源：Fio Omenetto，塔夫茨大學絲綢實驗室
傳感器可以呈現出看似無窮無盡的各種形式。為了證明這一點，研究小組創造了病毒傳感無人機，其中的機身嵌入了傳感器材料。在飛行過程中，螺旋槳引導氣流通過無人機的多孔主體，著陸后可以對其進行檢查。在示例中，無人機對空氣傳播的病原體（SARS-CoV-2）做出反應，可以從遠程距離監測環境。
生物聚合物傳感器的活性組件由華盛頓大學（sites.uw.edu/biochemistry/faculty/david-baker/）蛋白質設計研究所的David Baker教授開發，是一種由蛋白質制成的分子開關，其作用類似于鎖和鑰匙，但帶有蓋子。當病毒、毒素或其他目標分子靠近時，它會與開關結合并打開蓋子。開關的另一部分 - 分子鑰匙 - 可以裝入鎖中，并且組合形成完整的熒光素酶，類似于點亮螢火蟲和螢火蟲的酶。與傳感器結合的病毒、毒素或其他化學物質越多，光芒就越亮。
分子發光開關嵌入從絲繭中提取的蛋白質混合物中，稱為絲素蛋白。絲素蛋白是生物聚合物傳感器的非活性成分，但具有獨特的功能，包括能夠使用水基方法進行加工和制造，以及可制成不同材料（如薄膜、海綿、紡織品）或通過噴墨打印機分散到表面上的非凡多功能性。此外，絲素蛋白穩定了分子熒光開關，并大大延長了其保質期。
這些生物聚合物傳感器是測量環境中病原體或化學物質的其他方法的一大飛躍，這些方法通常依賴于生物成分，這些成分會隨著時間的推移迅速降解，需要小心儲存。傳感器也不依賴于難以集成到柔性可穿戴材料中的電子元件。
塔夫茨大學的研究人員測試了嵌入SARS-CoV-2傳感器的材料在60攝氏度下儲存四個月后的保質期，發現性能幾乎沒有變化。形狀為海綿的乳腺癌傳感器在室溫下在架子上保存一年，并且仍然接近其原始靈敏度。
“這意味著我們可以長時間制造，分發和存儲這些傳感接口，而不會失去其靈敏度或準確性，也不需要冷藏，這是非常了不起的，因為它們是由蛋白質制成的，”Omenetto實驗室的研究生Luciana d'Amone說，他與Giusy Matzeu共同領導了該項目。 塔夫茨絲綢實驗室的研究教授。
這種方法可以使傳感器以不同的格式廣泛使用�！袄�，你可以制造能夠檢測病原體的外科口罩，將它們包裝在盒子里，并像傳統口罩一樣隨著時間的推移使用它們，”d'Amone說�！拔覀冞�表明，您可以在食品包裝內打印傳感器以跟蹤變質和毒素。您可以修改我們每天使用的許多產品，包括傳感，并像往常一樣存儲和使用它們。
塔夫茨研究小組設想了生物聚合物傳感器的應用，從醫療保健環境中的個人和患者監測和感染控制到家庭，工作場所，軍事和災難環境中的環境傳感。
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